Микроэлектромеханический вакуумметр

Изобретение относится к вакуумной измерительной технике для измерения уровня вакуума в микрополостях, микрообъемах и корпусах датчиков микросистемной техники, в частности к микроэлектромеханическим вакуумметрам, использующим принцип резонанса как основного механизма работы. Устройство выполнено на основании и состоит из резонатора, который совершает колебания вдоль плоскости основания, гребенчатых управляющих электродов, образующих с гребенчатыми электродами резонатора встречно-штыревую структуру, и сигнальных электродов для считывания сигнала. Основание и резонатор выполнены из монокристаллического кремния и соединены посредством единичного подвеса с изменяющейся жесткостью, кроме этого резонатор дополнительно содержит систему демпферов, расположенных вдоль его оси симметрии. Технический результат заключается в увеличении диапазона измерения давления в сторону высокого вакуума и стабильности работы микроэлектромеханического вакуумметра. 3 ил.

 

Изобретение относится к вакуумной измерительной технике для измерения уровня вакуума в микрополостях, микрообъемах и корпусах датчиков микросистемной техники, в частности к микроэлектромеханическим вакуумметрам, использующим принцип резонанса как основного механизма работы.

Недостающая возможность измерения давления в вакууммированных корпусах или микрополостях после их изготовления затрудняет проведение анализа работоспособности микроэлектромеханических приборов. Отсутствие достаточного уровня вакуума может привести к полной неработоспособности датчика или к его неверным выходным характеристикам. Среди имеющихся вариантов измерения уровня вакуума в микрообъемах, существуют микросистемные вакуумметры, основанные на использовании микроэлектромеханического резонатора в чувствительном элементе (ЧЭ).

Микромеханическая часть вакуумметра в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS/ H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240; Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators, Part I: Design and fabrication/R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Damping of a microresonator torsion minor in rarefied gas ambient/ A. Minikes, I. Bucher, G. Avivi, J. Micromech. Microeng. Vol.15 (2005) P. 1762-1769; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors/ Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136; USA 7047810 B2 (May, 2006); EP 1530036 B1 (April, 2007) представляет из себя конструкцию, состоящую из неподвижного основания - опорной кремниевой пластины, как правило, покрытой слоем тонкого металла, и подвижной мембраны, закрепленной на упругих подвесах, перекрывающей плоскость основания и отстоящей на некотором расстоянии над ним. В приведенных источниках такая конструкция упоминается как резонатор в планарном исполнении. Недостатком такого технического решения, с одной стороны, является использование в процессе изготовления гетерогенных материалов: верхняя часть резонатора - подвижная мембрана изготовлена из тонкого металла, как в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS/ H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol.17 (2007) P. 2231-2240 и EP1530036B1 (April, 2007), a основание из монокристаллического кремния, что при температурных изменениях негативно может сказываться на получаемых выходных характеристиках, в частности приводить к дрейфу, гистерезису, срыву колебаний. В других случаях: Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators, Pail I: Design and fabrication/R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors/ Suijlen, M. A. G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136 и USA 7047810 B2 (May, 2006) применение поликристаллического кремния, как основного конструкционного материала для тонкой мембраны, может отрицательно сказываться на прочностных характеристиках резонатора: возможно проявление начальных деформаций, трещин, разбалансировка и смешивание мод колебаний. Существуют устройства, описанные в Squeezed film damping measurements on a parallel-plate MEMS in the free molecule regime/ L. Mol, L.A. Rocha, E. Cretu, R.F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. (J. Micromechanics and Microengineering) Vol. 19, Issue (7), (2009) 074021 P. (1-6); A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices/ B. Lee, S. Seok, K. Chun, J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 и Model-based design of MEMS resonant pressure sensors/ Suijlen, M. A. G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136, в которых микроэлектромеханический резонатор представлен в вертикальном исполнении, т.е. колебания резонатора осуществляются вдоль плоскости его основания. Излишняя жесткость таких конструкций снижает чувствительность датчика, тем самым уменьшая диапазон измерения вакуума. Нижняя граница измеряемых значений для перечисленных конструкций составляет 1-10 паскалей.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленному техническому решению является микродатчик давления для измерения вакуума, описанный в статье A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices/ B. Lee, S. Seok, K. Chun, J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 (прототип). Чувствительный элемент вакуумметра представляет собой резонатор, в котором подвижная инерционная масса (ИМ) с наименьшим габаритом по высоте закреплена на боковых гранях на четырех подвесах с двух сторон над основанием, попарно с каждой стороны. На свободных гранях ИМ располагается встречно-штыревая структура электродов для задания управляющего и считывающего сигнала. Следовательно, ЧЭ представляет собой микроэлектромеханический резонатор в вертикальном исполнении. Колебания осуществляются вдоль плоскости основания, где наибольшее демпфирующее воздействие от остаточного газа осуществляется в зазорах встречно-штыревой структуры при максимальном отклонении от положения равновесия в момент резонанса. Уровень вакуума измеряется посредством измерения величины добротности системы - Q. Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность к уровню вакуума, нижняя граница диапазона измеряемых значений ограничена значением в единицы паскаль, вследствие малого демпфирования между взаимодействующими поверхностями, их недостаточного количества, излишней жесткости в местах заделки резонатора.

Задачей изобретения является увеличение чувствительности микроэлектромеханического вакуумметра, конструкция которого позволит измерить малые значения давления в микрополостях и микрообъемах микроэлектромеханических приборов.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение диапазона измерения давления в сторону высокого вакуума и стабильности работы микроэлектромеханического вакуумметра.

Технический результат достигается тем, что в микроэлектромеханическом вакуумметре с чувствительным элементом, выполненным на основании и состоящим из резонатора, который совершает колебания вдоль плоскости основания; гребенчатых управляющих электродов, образующих с гребенчатыми электродами резонатора встречно-штыревую структуру, и сигнальных электродов для считывания сигнала, основание и резонатор выполнены из монокристаллического кремния и соединены посредством единичного подвеса с изменяющейся жесткостью, кроме этого резонатор дополнительно содержит систему демпферов, расположенных вдоль его оси симметрии.

Предлагаемое техническое решение поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 представлен схематичный вид микроэлектромеханического вакуумметра, где

1 - основание из монокристаллического кремния;

2 - резонатор;

3 - гребенчатые управляющие электроды;

4 - сигнальные электроды для считывания сигнала (сигнальные электроды);

5 - контактные площадки.

На фигуре 2 показаны функциональные элементы резонатора чувствительного элемента микроэлектромеханического вакуумметра, где

6 - подвес резонатора серпантинного типа с изменяющейся жесткостью;

7 - гребенчатые электроды резонатора;

8 - система демпферов.

На фигуре 3 представлены графики зависимости добротности от уровня вакуума для экспериментального образца вакуумметра.

Микроэлектромеханический вакуумметр содержит выполненный на основании из монокристаллического кремния 1, чувствительный элемент, состоящий из резонатора 2, гребенчатых управляющих электродов 3, сигнальных электродов для считывания сигнала 4 и контактных площадок 5 (фиг. 1). Резонатор 2 (фиг. 1), выполненный в виде маятника, который совершает колебания вдоль плоскости основания, состоит из нескольких функциональных элементов: подвеса серпантинного типа с изменяющейся жесткостью 6, симметричных гребенчатых электродов 7 и системы демпферов 8 (фиг. 2). Гребенчатые управляющие электроды 3 образуют с гребенчатыми электродами резонатора 7 встречно-штыревую структуру.

Резонатор 2 чувствительного элемента микроэлектромеханического вакуумметра и основание 1 выполнены из монокристаллического кремния. Резонатор 2 соединен с основанием 1 через подвес серпантинного типа с изменяющейся жесткостью 6 (фиг. 2). Конструкция подвеса выполнена таким образом, что меняет жесткость с изменением своих линейных размеров и обеспечивает наибольшее смещение резонатора 2 для последующего максимального эффекта, связанного с демпфированием. Система демпферов 8 (фиг. 2), расположенная вдоль оси симметрии резонатора 2, позволяет при отклонении от положения равновесия самого резонатора достичь минимального расстояния между подвижными и неподвижными частями чувствительного элемента, предназначена для увеличения максимальной площади взаимодействия элементов резонатора 2 с молекулами газа и получения, таким образом, максимальной величины полезной составляющей сигнала. На гребенчатых управляющих 3 и сигнальных 4 электродах и резонаторе 2 расположены контактные площадки 5 для подачи и считывания сигнала.

Устройство работает следующим образом.

На один гребенчатый управляющий электрод 3 с одной стороны (слева или справа) относительно резонатора 2 подается управляющий сигнал, оставшийся симметрично расположенный гребенчатый управляющий электрод 3 находится под тем же потенциалом, что и резонатор 2. При этом резонатор 2 отклоняется из положения равновесия и совершает колебания. Резонатор 2 и неподвижные конструктивные части чувствительного элемента в определенный момент времени находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга. Таким образом, задействуется механизм вязкого демпфирования в тонких сжатых газовых пленках, вследствие сдавливания и трения о поверхность остаточного газа между гребенчатыми электродами резонатора 7 и гребенчатыми управляющими электродами 3, а также между системой демпферов 8 и сигнальными электродами 4. Полезный сигнал снимается с сигнальных электродов 4. Уровень вакуума измеряется посредством вычисления величины добротности системы - Q с помощью метода затухания амплитуды колебаний по формуле:

Q=πτƒ₀,

где τ - время релаксации, в течение которого начальная амплитуда уменьшается в е раз, ƒ₀ - резонансная частота колебаний.

Было проведено моделирование и измерение экспериментального образца вакуумметра, графики зависимости добротности от уровня вакуума представлены на фигуре 3.

Микроэлектромеханический вакуумметр благодаря конструкции чувствительного элемента позволяет измерять давление остаточных газов в микрополостях с высокой чувствительностью в широком диапазоне значений.

Микроэлектромеханический вакуумметр с чувствительным элементом, выполненным на основании и состоящим из резонатора, который совершает колебания вдоль плоскости основания, гребенчатых управляющих электродов, образующих с гребенчатыми электродами резонатора встречно-штыревую структуру, и сигнальных электродов для считывания сигнала, отличающийся тем, что основание и резонатор выполнены из монокристаллического кремния и соединены посредством единичного подвеса с изменяющейся жесткостью, кроме этого резонатор дополнительно содержит систему демпферов, расположенных вдоль его оси симметрии.